Bộ nhớ và lưu trữ - Phần 1

mạng điển hình ngày nay có rất nhiều kiểu lưu trữ dữ liệu khác nhau. Việc hiểu được các phương pháp lưu trữ dữ liệu là cần thiết để tìm hiểu được mạng của bạn. Trong loạt bài này chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn một số kiểu lưu trữ dữ liệu chung, một số công nghệ sắp được đưa ra và giới thiệu thêm về một số giao thức địa chỉ hóa bộ nhớ chung. Lưu trữ từ tính Các ổ đĩa cứng, đó là kiểu lưu trữ từ tính chung nhất, dùng để lưu dữ liệu trên một trục các đĩa mỏng. Các đĩa này được chế tạo từ aluminum, thủy tinh hoặc ceramic và được bọc bên ngoài với một lớp vật liệu sắt từ, thường là hợp kim coban. Lớp vật liệu sắt từ này bao phủ sẽ cho phép đầu đọc/ghi có thể từ hóa các vùng nhỏ của đĩa để thể hiện dữ liệu số trên đó. Hình 1: Ổ cứng đã được bóc lớp vỏ Có nhiều đĩa mỏng bên trong một ổ cứng, chúng được cách ly với nhau bởi các miếng đệm trên một trục đơn. Trục này được điều khiển bởi một mô tơ có thể quay tròn các đĩa. Tốc độ của mô tơ này là không đổi và là tốc độ của ổ cứng. Các đầu đọc ghi trên từng mặt đĩa được gắn với một cánh tay chuyển động riêng. Cánh tay chuyển động này được điều khiển bằng một mô tơ servo có thể chuyển đầu đọc vào gần hoặc ra xa với trục. Có hai cách để ghi dữ liệu lên đĩa: theo chiều ngang và chiều vuông góc. Chiều ngang là cách truyền thống để ghi dữ liệu lên đĩa. Bạn có thể nghĩa nó giống như một thanh nam châm được đặt bằng phẳng trên bề mặc đĩa từ đầu đến cuối. Có thể hình dung dễ dàng rằng các vùng này mất rất nhiều không gian. Đây là lý do tại sao các nhà sản xuất ổ cứng đã phải đầu tư nghiên cứu rất nhiều để giảm kích thước của các vùng này. Hiện chúng ta đã đạt được giới hạn nào đó về thiết kế cho các vùng. Điều này là bởi vì hiệu quả siêu thuận từ. Cơ bản, hiệu quả này mô tả các hiệu quả nhiệt độ ngẫu nhiên có thể lật cực tính của mỗi nam châm rất nhỏ. Trên mỗi ổ cứng, nếu cực tính của một trong các vùng có nam châm được lật thì có nghĩa là dữ liệu đã được thay đổi từ “1” thành “0”. Công nghệ ghi vuông góc có thể cho phép các thiết kế đóng gói được nhiều dữ liệu hơn trên cùng một vùng của đĩa mà không phải buồn phiền về hiệu quả của siêu thuận từ cho các vùng có kích thước giống nhau. Nó hơi khó hiểu trong vấn đề tại sao chúng ta không phải lo lắng về hiệu quả của siêu thuận từ. Về bản chất vấn đề này là hướng của trường từ tính đã thay đổi, và vì vậy chúng tương tác với các thành phần bên cạnh của chúng khác nhau. Sự tương tác này rất quan trọng trong việc xác định xem siêu thuận từ có ảnh hưởng hay không. Tương tự với ổ cứng, các bit được lưu trên một dải băng bằng cách đảo cực một vùng từ tính nhỏ. Có hai kiểu cơ bản của dải băng đó là: tuyến tính và xoắn ốc. Các ổ băng tuyến tính có các rãnh tuyến tính. Trên băng có một số rãnh mở rộng từ băng này đến băng khác. Mỗi rãnh gồm có nhiều vùng từ tính nhỏ, các vùng này có thể được sử dụng để thể hiện bít dữ liệu ‘1’ hoặc ‘0’. Các băng xoắn ốc có các rãnh có thể chạy theo đường chéo lên xuống theo băng. Điều đó có nghĩa rằng các rãnh sẽ chồng lên nhau. Bình thường điều đó là không tốt, tuy nhiên kiểu băng này sẽ dụng hai đầu ghi, mỗi đầu ghi lại sử dụng một trạng thái phân cực đối nhau, điều đó cho phép đầu đọc có thể phân biệt được các rãnh. Do vậy nó có thể cho dung lượng cao hơn khi sử dụng băng. Bộ nhớ bán dẫn Một trong những loại bộ nhớ bán dẫn thông thường đó là RAM, bạn có thể xem hình 2. Có hai loại RAM chung đó là động và tĩnh. Ram tĩnh (SRAM) lưu dữ liệu trong một bộ gồm có 6 transistor (6 transistor này tạo thành một khối được biết đến đó là một flip-flop (FF)). Ram động (DRAM) lưu dữ liệu bằng các tụ điện, cần phải làm tươi liên tục, đây là lý do tại sao DRAM không lưu được dữ liệu khi mất điện. Ưu điểm của DRAM là chỉ cần đến một trasistor và mỗi tụ điện cho mỗi bit. Điều này làm cho nó có dung lượng nhớ cao hơn SRAM. Còn ưu điểm của SRAM là các transistor không cần đến việc làm tươi và tương tác nhanh hơn các tụ điện. Hình 2: RAM Một kiểu bộ nhớ bán dẫn khác đang được sử dụng nhiều hiện nay đó là bộ nhớ Flash. Trong loại bộ nhớ này cũng được chia thành hai kiểu: NOR và NAND. NOR (Not OR) thường sử dụng các cổng logic NOR trong khi đó NAND (Not AND) lại sử dụng các cổng logic NAND. Cả hai cổng lôgic NAND và NOR đều được cấu tạo từ các transistor và không chứa tụ điện trong đó. Điều này nghĩa là khi mất điện dữ liệu được lưu bên trong chúng sẽ không bị mất. Hình 3: Ổ USB flash Mặc dù cả NAND và NOR Flash đều tương tự nhau nhưng chúng cũng có một số điểm khác nhau. NAND flash sử dụng công nghệ truy cập tuần tự phù hợp hơn cho việc lưu trữ dữ liệu. NOR flash là một công nghệ truy cập ngẫu nhiên, điều này làm cho nó tốt hơn trong việc lưu trữ các chương trình sử dụng tốn ít bộ nhớ. NOR flash thường được sử dụng trong các ứng dụng như chạy một hệ điều hành của điện thoại di động. NAND flash được sử dụng điển hình trong các ứng dụng như các thẻ nhớ USB. Theo www.appleinsider.com, mẫu điện thoại mới ra mắt iPhone của hãng Apple sử dụng cả NOR và NAND flash. Bộ nhớ quang Một kiểu lưu trữ quang học thường được sử dụng nhất đó là CD. Các CD được sản xuất từ polycarbonat plastic có các lỗ nhỏ, các lỗ nhỏ này được sắp xếp theo hình xoắn ốc xung quanh đĩa, đó là các lỗ dùng để biểu thị dữ liệu. Trên polycarbonat này là một lớp vật liệu phản chiếu mỏng, thường là aluminum hay vàng và trên đó là một lớp acrylic để bảo vệ đĩa. Khi một CD đang đọc, tia laser sẽ đập vào lớp polycarbonat và được phản chiếu vào lớp vật liệu phản chiếu. Tia laser phản chiếu quay trở lại được phát hiện bằng một cảm biến quang, dùng để chuyển đổi tín hiệu tia laser nhận được thành tín hiệu điện. Phụ thuộc vào tia laser tập trung vào các lỗ hổng khác nhau thì tín hiệu điện thu được cũng sẽ khác nhau vì tia phản chiếu khác nhau. Sự khác nhau trong các tín hiệu điện là cách một máy tính có thể đọc dữ liệu trên đĩa CD như thế nào. Đó là trường hợp đối với các CD thông thường, nhưng việc ghi dữ liệu lên các đĩa CD như thế nào? Một CD-R cũng tương tự như một CD trong cấu trúc chung của nó ngoại trừ có hai khía cạnh chính. Đầu tiên đó là nó không có các lỗ.Thứ hai, giữa polycarbonat và aluminum phản chiếu có một lớp thuốc nhuộm trong suốt. Để lưu dữ liệu vào CD-R, tia laser dùng để ghi được tập trung vào phần xoắn ốc muốn ghi (đường xoắn ốc này không tồn tại cho tới khi bạn tạo nó bằng việc ghi dữ liệu lên) và nung nóng lớp thuốc nhuộm. Các thuộc tính hóa học của lớp thuốc nhuộm thay đổi tương ứng ở độ mờ của nó với nhiệt độ đốt nóng. Vì vậy tia laser dùng để ghi có thể chuyển động dọc theo đường xoắn ốc và thay đổi độ mờ của các vùng nhỏ, sự khác biệt trong độ mờ thể hiện ra dữ liệu đó là các con số ‘1’ và ‘0’. Dữ liệu sau đó được đọc từ CD-R theo cách như một CD. CD-R chỉ có thể được ghi một lần. Điều này là bởi vì khi đã làm lớp thuốc nhuộm thay đổi thì bạn không thể làm cho nó trong suốt lại được lần nữa. Vậy sau CD-R là gì? CD-RW sử dụng lớp thuốc nhuộm khác, lúc đầu có màu đục, sau khi được đốt nóng có màu trong suốt. Thuốc nhuộm này cũng có thuộc tính khá thú vị đó là có thể trở lại trạng thái ban đầu nếu được đốt nóng đến một nhiệt độ cao hơn. Điều này cho phép bạn dễ dàng xóa các dữ liệu đã được lưu trên đĩa trước đó. Hình 4: Ảnh của các lỗ trên một đĩa DVD Các đĩa DVD làm việc cũng giống như đĩa CD. Các đĩa này có thể lưu nhiều dữ liệu hơn đĩa CD vì về bản chất chúng gồm nhiều đĩa CD mỏng được cất trữ trên một DVD. Điều đó được tạo từ một số lớp polycarbonat và vật liệu phản chiếu. Các tia laser và cảm biến quang cũng có nhiều cải tiến hơn, trong đó tia laser có khả năng xuyên qua các lớp khác nhau và cảm biến quang cũng có thể phát hiện được tất cả các lớp khác nhau đó. Có một số phương pháp chung trong việc lưu trữ dữ liệu mới. Bạn hãy đón đọc phần tiếp theo của bài báo, trong phần đó chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn một số kỹ thuật mới như bộ nhớ pulse-change và bộ nhớ holographic.